層狀前驅體法鈷基多級結構氣敏材料的制備及其氣敏性能研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟發(fā)展以及工業(yè)化水平不斷提高，環(huán)境污染問題日益嚴峻。大氣污染主要來自于化石燃料的燃燒、工業(yè)生產廢氣及汽車尾氣的排放，引發(fā)霧霾、酸雨以及臭氧層破壞等一系列環(huán)境問題，給人們的生產生活造成了嚴重危害。半導體氣體傳感器具有靈敏度高、響應恢復時間短以及成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于有毒有害氣體的檢測，半導體金屬氧化物則是構建半導體氣體傳感器的關鍵材料。因此開展性能優(yōu)異的半導體金屬氧化物氣敏材料的制備及構效關系研究在有毒有害氣體的監(jiān)測領域具有

2、非常重要的意義。
　　Co3O4作為一種典型p型半導體材料，具有催化活性高、穩(wěn)定性良好、電化學以及電磁特性優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應用于諸多研究領域。但Co3O4的氣敏性能相對較弱，存在響應值較低、選擇性差以及響應溫度較高等缺點，限制了其在氣敏領域的應用。近年來，人們圍繞提升Co3O4基半導體材料氣敏性能開展了諸多研究，構筑半導體氧化物異質結構材料以及構筑石墨烯/氧化物復合材料是目前研究的熱點。
　　針對目前Co3O4基氣敏材料存在

3、工作溫度高、靈敏度低等問題，本論文以大幅度提高Co3O4基氣敏材料氣敏活性、靈敏度和響應速度為目標，基于水滑石類層狀材料(HTLCs)組成和結構的可調控性，開展了層狀前驅體法多級結構鈷基氣敏材料的制備，探討了多級結構鈷基氣敏材料結構與性能之間的內在關系。首先采用共沉淀法制備了一系列不同Co/Ti摩爾比的CoTi-HTLcs前驅體材料，經(jīng)焙燒制備了系列Co3O4-TiO2半導體異質結構材料。對材料晶相以及形貌結構進行表征分析，表明形成了C

4、o3O4-TiO2異質結構材料。與多級結構Co3O4相比，Co3O4-TiO2異質結材料具有更大的比表面積(120m2/g)，能提供更多的吸附位點和活性位點，有利于氣體的吸脫附及表面化學反應的進行;p-n異質結引起的內建電場導致Co3O4-TiO2異質結材料具有更大的電阻變化幅度，Co3O4-TiO2半導體異質結構材料氣敏性能明顯提升;其中Co/Ti摩爾比為4的Co3O4-TiO2異質結氣敏性能最佳，在115℃時其對50ppm二甲苯的響

5、應值為116，響應恢復時間分別為130s和150s，其氣敏響應值為Co3O4的3.5倍。此外，該異質結材料具有較低的檢測限、良好的選擇性、重復性以及穩(wěn)定性。
　　采用Hummers法以及超聲剝離法制備了氧化石墨烯(GO)，利用其表面豐富的親水性基團，采用共沉淀法在其表面原位生長Co-HTLcs制備了Co-HTLcs/rGO復合材料，然后在氮氣氣氛下焙燒獲得Co3O4/rGO復合材料。通過一系列分析測試對材料的形貌以及晶體結構進行表

6、征，驗證了Co3O4/rGO復合材料的形成，并測試其氣敏性能。結果表明，石墨烯修飾能夠顯著提升Co3O4半導體氧化物材料的氣敏性能。當石墨烯添加量為20％、焙燒溫度為300℃時，Co3O4/rGO復合材料在115℃時對50ppm二甲苯的響應達到最高響應值82，響應恢復時間分別為140s和160s。此外Co3O4/rGO復合材料具有較低的檢測限、良好的響應恢復曲線以及優(yōu)良的選擇性。Co3O4/rGO復合材料優(yōu)異的氣敏性能歸因于其具有較大的